Klíčové nástroje pro vrtání: Komplexní průvodce klasifikací a použitím válečkových kuželových a diamantových vrtáků

01 Válcové kuželové vrtáky: Všestranné nástroje pro přizpůsobení se formacím

Od svého vzniku v roce 1909 se kuželové vrtáky s válečky staly nejpoužívanějším typem vrtáků v rotačním vrtání. Jejich unikátní vícekuželová konstrukční konstrukce jim umožňuje přizpůsobit se různým podmínkám vrtání, od měkkých až po extrémně tvrdé.

Strukturální složení a základní technologie

Válečkový kuželový vrták se skládá z pěti základních komponent:

• Tělo bitu: Tři kuželové nohy svařené dohromady, s připojovacím závitem v horní části.
• Válečkové kužely: Kuželovitá kovová tělesa s frézovanými zuby nebo vloženými zuby na povrchu.
• Ložiskový systém: Skládá se ze čtyř sad ložisek: velkých, středních, malých a axiálních ložisek.
• Trysky: Obvykle 3–4, o průměru 7–14 mm.
• Systém pro skladování a těsnění oleje: Pryžové nebo kovové těsnicí kroužky v kombinaci se zařízeními pro vyrovnávání tlaku.

Mezi nimi představuje technologie těsnění ložisek klíčový technologický průlom pro kuželové vrtáky. Moderní vrtáky využívají systém kompenzace tlaku oleje, který udržuje dynamickou rovnováhu mezi tlakem oleje v dutině ložiska a tlakem ve sloupci vrtné kapaliny pomocí komponent, jako jsou otvory pro přenos tlaku, membrány pro kompenzaci tlaku a olejové misky.

Klasifikační systém a kódování IADC

Mezinárodní asociace vrtných dodavatelů (IADC) vyvinula globálně jednotný klasifikační standard pro válcované kuželové vrtáky s použitím třímístného kódovacího systému:

První číslice: Typ zubu a příslušná formace

1: Frézované zuby, měkké útvary

2: Frézované zuby, středně až středně tvrdé útvary

3: Frézované zuby, tvrdé a abrazivní útvary

5: Vkládací zuby, měkké až střední formace

6: Vkládací zuby, středně tvrdé útvary

7: Vložte zuby, tvrdé a abrazivní útvary

8: Vkládací zuby, extrémně tvrdé a vysoce abrazivní útvary

Druhá číslice: Pododdělení tvrdosti formace (stupeň 1-4; vyšší čísla označují tvrdší formace)

Třetí číslice: Strukturální charakteristiky bitu

4: Utěsněná válečková ložiska

6: Utěsněná kluzná ložiska

7: Utěsněná kluzná ložiska + ochrana břitových měr

8: Vychylovací vrtáky pro směrové vrtání

Zjednodušený klasifikační systém IADC pro válečkové kuželové vrtáky

Mechanismus lámání hornin a charakteristiky pohybu

Během provozu vykazuje kuželový vrták tři typy kompozitního pohybu:

• Otáčení: Kužely se otáčejí ve směru hodinových ručiček s celým vrtákem.
• Rotace: Zuby se otáčejí proti směru hodinových ručiček kolem osy kužele.
• Kluzné: Včetně radiálního a tangenciálního kluzného pohybu.

Tento složený pohyb dosahuje dvojího účinku na rozbíjení hornin:

1.Účinek drcení nárazem: Střídavý kontakt jednoduchých a dvojitých zubů se spodním otvorem generuje podélné vibrace a vytváří tak rázové zatížení.

2.Efekt posuvného smyku: Smyku horniny se dosahuje konstrukcí převislých, dvojitých kuželových a odsazených konstrukcí.

Strategie výběru a párování formací 

Základní principy pro výběr kuželových vrtáků s válcovacím hrotem na základě vlastností horniny:

• Měkké formace: Vyberte vrtáky s odsazenou, přesahující a dvojitou kuželovou konstrukcí, vybavené vysokými, širokými a řídce frézovanými nebo břitovými destičkami.
• Středně tvrdé formace: Snižte hodnoty odsazení, přesahu a dvojitého kužele; použijte krátké, úzké a husté zuby.
• Tvrdé a abrazivní formace: Používejte jednokuželové válce bez přesahu nebo odsazení, vybavené kuličkovými nebo kuželovitými kuličkovými zuby.
• Formace náchylné k vychýlení: Vyberte vrtáky s krátkými zuby bez odsazení nebo s malým odsazením a bez kalibračních zubů.
• Propletené měkké a tvrdé formace: Vyberte typy vrtáků na základě tvrdší horniny a dynamicky upravte parametry během vrtání.

Reakce na zvláštní pracovní podmínky

• Malé vrty (<177 mm): Použijte kuželové vrtáky s jedním válečkem, které mají větší kužely, zuby a ložiska pro vyšší pevnost.
• Směrové vrtání: Vyberte speciální vychylovací vrtáky s třetí číslicí kódu IADC 8. 

02 Diamantové vrtáky: Výkonné nástroje pro tvrdé formace 

Jako nejtvrdší materiál v přírodě má diamant tvrdost dle Mohse stupně 10, pevnost v tlaku až 8800 MPa a odolnost proti opotřebení 9000krát vyšší než ocel. Díky této vlastnosti se diamantové vrtáky staly dokonalým nástrojem pro zvládání tvrdých formací.

Klasifikační systém a technologický vývoj

Moderní diamantové vrtáky se dělí hlavně na tři typy:

1.Diamantové vrtáky s povrchovou úpravou

• Diamantové částice jsou vystaveny povrchu matrice.
• Vhodné pro středně tvrdé až tvrdé formace.
• Klasifikace velikosti diamantových částic:
• Měkké formace: 2 zrna na karát (gpc) (velikost částic cca 4 mm)
• Středně tvrdé formace: 3-4 gpc (velikost částic cca 3,6 mm)
• Tvrdé formace: 10-15 gpc (velikost částic cca 2,0 mm)

2.Impregnované diamantové bity

• Diamanty jsou impregnovány uvnitř matrice (60-400 gpc).
• Vhodné pro tvrdé a abrazivní formace (např. pazourek, křemičitý dolomit).
• Samoostření diamantu se dosahuje opotřebením matrice.

3.PDC bity (kompaktní bity z polykrystalického diamantu)

• Poprvé jej představila americká společnost General Electric (GE) v roce 1973.
• Kompaktní struktura: Diamantová vrstva + substrát ze slinutého karbidu.
• Vhodné pro měkké až středně tvrdé homogenní formace.

Konstrukční návrh a parametry jádra

Diamantové vrtáky mají integrální konstrukci bez pohyblivých částí, včetně:

• Ocelové tělo: Vyrobeno ze středně uhlíkové oceli, s připojovacím závitem v horní části.
• Matrice: Prášek karbidu wolframu + pojivo na bázi mědi, s tvrdostí HRC 30-45.
• Řezné prvky: Přírodní/syntetické diamanty nebo PDC výlisky.
• Hydraulické dílo: Vodní toky a koryta toku (radiální, spirální atd.).

Klíčové konstrukční parametry

• Koncentrace diamantu: Upravena na základě abrazivity formace; vyšší koncentrace pro abrazivnější formace.
• Výška vyčnívání:
• Měkké formace: 1/3 velikosti částic
• Tvrdé formace: 1/6-1/10 velikosti částic
• Tvar rtů:
• Ploché dno: Pro homogenní formace
• Zakřivené: Pro tvrdé formace
• Vroubkovaný: Pro abrazivní formace

Mechanismus lámání hornin a reakce formace

Metoda lámání horniny diamantovými vrtáky se liší v závislosti na vlastnostech formace:

Plastické formace (např. jílovce, sádrovec): Podobné procesu „orby“; diamanty pronikají do formace a způsobují plastický tok horniny.

Křehké formace (např. křemenný pískovec): Vznikají objemové drticí jámy s řeznými rozměry 2–4krát většími než vyčnívající diamanty, což vede k vysoké účinnosti.

Tvrdé horniny (např. pazourek, křemičitá hornina): Používají se impregnované vrtáky a drcení horniny se dosahuje mikrořezáním a škrábáním, podobně jako při oděru brusného kotouče.

Technické výhody a omezení PDC bitů

Jako revoluční produkt v řadě diamantových vrtáků mají vrtáky PDC jedinečné výhody:

Strukturální prvky

Ocelové tělo PDC bitů: Integrovaná středně uhlíková ocel s povrchovou úpravou kalením.

Bity PDC s matricovým tělem: Horní ocelové tělo + spodní matrice z karbidu wolframu pro lepší výkon.

Návrh profilu

Parabolický: Pro měkké formace, umožňuje vysokou metráž a rychlost vrtání.

Kulatý: Pro vrtání s otočným stolem, usnadňuje pronikání do tvrdých mezivrstvy.

Kónický: Pro vysokorychlostní vrtání s dobrým penetračním výkonem.

Omezení aplikace

Není vhodné pro štěrkové formace a prokládané měkko-tvrdé formace.

Mez teplotní odolnosti (opotřebení se zintenzivňuje nad 350 ℃; k porušení pevnosti dochází při 700 ℃).

Špatná odolnost proti nárazu; u nových vrtáků je náchylné odštípnutí hran.

Srovnávací tabulka vhodných formací pro diamantové vrtáky

03 Průvodce vědeckým výběrem: Porovnávání formací a provozních požadavků

Zlatá pravidla pro výběr kuželového vrtáku

Párování tvrdosti formace

Měkké formace: Vyberte vrtáky s vysokým odsazením, přesahem a dvojitým kuželem, vybavené klínovými nebo lžícovitými zuby.

Tvrdé formace: Použijte jednokuželové, neodsazené struktury, vybavené kulovými zuby nebo kuželovitými kulovými zuby.

Reakce na abrazivnost

Pro abrazivní formování použijte břitové destičky s kalibračními zuby.

Pokud jsou zuby vnější řady zaoblené, zatímco prostřední zuby vykazují malé opotřebení, měl by být další vrták navržen se zvýšenou ochranou měřidel.

Protiopatření pro zvláštní pracovní podmínky

Formace náchylné k vychýlení: Vyberte vrtáky s krátkými zuby bez odsazení nebo s malým odsazením; přizpůsobivost formace by měla být o něco měkčí než skutečná formace.

Proložené měkko-tvrdé formace: Vyberte vrtáky na základě tvrdší horniny a dynamicky upravte parametry během vrtání.

Vrtání hlubokých vrtů: Použijte vrtáky s vysokou celkovou délkou vrtu, abyste kompenzovali ztrátu času potřebného k vyproštění.

Strategie výběru diamantových vrtáků

Platné podmínky pro bity PDC

Optimální scénáře: Dlouhé homogenní měkké až středně tvrdé formace (např. břidlice, jílovec, sádrovec).

Zakázané scénáře: Štěrkové formace, provrstvení pazourku, provrstvení měkko-tvrdých formací.

Nastavení parametrů: Nízké otáčky bez otlaku (30–60 kN), vysoké otáčky (100–300 ot/min), velký průtok.

Platné podmínky pro vrtáky z přírodních/syntetických diamantů

Tvrdé až extrémně tvrdé formace (např. žula, křemenný pískovec).

Vysoce abrazivní útvary (např. pazourek, křemičitý dolomit).

Vrtání turbínami, hluboké/ultrahluboké vrty a odběry jader.

Zvláštní požadavky na jádrové vrtáky

Válcové kuželové vrtáky: Čtyřválečkové kuželové (kuželové/válcové) nebo šestiválečkové kuželové (plně válcové) provedení.

Diamantové vrtací korunky: Vyžadují symetricky rozložené břity s konzistentní odolností proti opotřebení.

Klíčový ukazatel: Soustřednost mezi vnitřním otvorem a vnějším kruhem, aby se zabránilo ovalizaci jádra.

Posuzování a zvládání anomálií ve vrtu

Identifikace pracovního stavu válečkového kuželového vrtáku

Poškození ložiska: Periodické chvění otočného stolu, zhoršení stavu při vysokém odpružení, snížená rychlost vrtání, ale normální tlak čerpadla.

Ztráta kužele: Silné zasekávání při vrtání, prudké kolísání indikátoru závaží, změna hloubky zapuštění při vytahování vrtací kolony.

Opotřebení zubů: Snížené zatížení otočného stolu, žádné chvění, výrazné snížení rychlosti vrtání.

Tabu o používání diamantových vrtáků

Před spuštěním vrtáku do vrtu je nutné vyčistit spodní část otvoru, aby se zajistilo, že v něm nezůstanou žádné kovové úlomky.

Začněte vrtat s malým došlapem (WOB) a nízkými otáčkami pro „záběh“ (úprava dna vrtu o hloubce 0,5 m).

Vyhněte se vystružování; v případě potřeby použijte nízké otáčky při náběhu a nízké otáčky pro rovnoměrný provoz.

Kontakt:Jessie Zhou
Mobil/Whatsapp:+0086-18109206861
Web:www.landrilltools.com